JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioingegneria

Beeldvorming van biologische weefsels door desorptie electrospray ionisatie massaspectrometrie

Published: July 12, 2013
doi:
10.3791/50575
, ,
1School of Chemistry and Biochemistry,Georgia Institute of Technology

Summary

Desorptie electrospray ionisatie massaspectrometrie (DESI-MS) is een ambient methode waarbij monsters, met inbegrip van biologische weefsels, kunnen worden afgebeeld met een minimale monstervoorbereiding. Door rastering het monster onder de ionisatie-elektrode, deze spray-gebaseerde techniek voldoende ruimtelijke resolutie om moleculaire kenmerken van belang te onderscheiden binnen coupes.

Abstract

Massaspectrometrie imaging (MSI) geeft ongerichte moleculaire informatie met de hoogste specificiteit en de ruimtelijke resolutie voor het onderzoeken van biologische weefsels aan de honderden tot tientallen microns schaal. Wanneer deze wordt uitgevoerd onder omgevingsomstandigheden, monstervoorbehandeling wordt overbodig, waardoor het protocol te vereenvoudigen met behoud van de hoge kwaliteit van de verkregen informatie. Desorptie electrospray ionisatie (DESI) is een spray-based ambient MSI techniek die voor de directe bemonstering van oppervlakken in de open lucht, zelfs in vivo. Bij gebruik met een softwaregestuurde monsterstellage, wordt het monster onder de gerasterde DESI ionisatie, en door het tijdsdomein wordt m / z gegevens gecorreleerd met de chemische species ruimtelijke verdeling. De betrouwbaarheid van het DESI-MSI uitvoer afhankelijk van de oriëntatie bron en positionering ten opzichte van het monsteroppervlak en massaspectrometer inlaat. Hierin bespreken we hoe weefselplakjes voorbereiden DESI imaging en aanvullende experimentele omstandigheden die rechtstreeks van invloed beeldkwaliteit. Specifiek, het protocol voor de beeldvorming van de rat hersenweefsel secties door DESI-MSI beschrijven we.

Introduction

Ongerichte beeldvorming door massaspectrometrie vergemakkelijkt de overname van chemische informatie voor de ontdekking en hypothese-genererende toepassingen. Gerichte beeldvorming van een bekende chemische plaats, anderzijds, kan verhoogde gevoeligheid en selectiviteit omdat specifieke methode ontwikkeling. Massaspectrometrie imaging (MSI) wordt meestal uitgevoerd op weefsels met behulp van MALDI, 1 secundaire ionen massaspectrometrie (SIMS), 2 en ambient ionisatie technieken, waaronder desorptie electrospray ionisatie (DESI), 3 laser ablatie-elektrosprayionisatie (LAESI), 4, 5 en vloeibare micro-junction-oppervlak bemonsteringssonde (LMJ-SSP). 6 In MALDI en SIMS, monsters moeten fysiek worden verwijderd uit het monster, en moeten plat en dun, als zij worden geanalyseerd onder hoog-vacuüm. MALDI vereist bekleding van het monster met een straling absorberende matrix, toevoegen van een extra en omslachtige stap de monstervoorbereiding. SIMSheeft de hoogste laterale resolutie, maar bombardement met hoogenergetische deeltjes veroorzaakt uitgebreide moleculaire fragmentatie. Daarom MSI door omgevingslicht methoden vullen een niche waar zachte analyse met minimale monstervoorbereiding wenselijk is. Echter, tot op heden, alle methoden zijn nog steeds beperkt door de eis van platte monster oppervlakken.

DESI maakt gebruik van een pneumatisch-assisted opgeladen oplosmiddel spuiten gericht op het monster oppervlak te desorberen en ioniseren analyten. 7 Het werkmodel voor desorptie en daaropvolgende ionisatie door DESI staat bekend als de "druppel pick-up-model". 8-10 De geladen primaire druppeltjes door de DESI probe botsen met het oppervlak nat te maken en vormen van een dunne film waarin de analyt wordt opgelost door een vaste stof-vloeistof microextraction mechanisme 8 latere druppel botsingen leiden impulsoverdracht en start secundaire druppeltjes met de uit het oppervlaktemateriaal . 9,10 Uiteindelijk gasfase ionen verondersteld worden geproduceerd door middel van ESI-achtige processen na verdamping ion, lading residu modellen of andere modellen, 11 maar de precieze ionenvorming werkwijze DESI is nog niet experimenteel aangetoond. 12 DESI gevoeligheid sterk afhankelijk van de oplosbaarheid van de analyt in de spray oplosmiddel, zoals desorptie afhankelijk van de lokale micro-extractie 13.

Bij gebruik met een softwaregestuurde monsterstellage, wordt het monster unidirectioneel gescand lane stappen onder het DESI ionisatie, en door het tijdsdomein wordt m / z gegevens gecorreleerd met de chemische species ruimtelijke verdeling (figuur 1). Sinds de eerste proof of principle DESI-MSI experiment gerapporteerd door Van Berkel en Kertesz in 2006, heeft 14 van de techniek aanzienlijk gerijpt, 15 met meldde toepassingen in de analyse van de lipiden, 3,16 drugmetabolieten, 17,18 disease biomarkers, 19 hersenweefsel, 3,18,20 longweefsel, 18 nierweefsel, 18 testis weefsel, 18 bijnieren, 17 dunnelaagchromatografie platen, 21 en algen oppervlakken. 22 De routine resolutie van beelden verkregen door DESI-MSI is 100-200 urn, die uiteindelijk wordt bepaald door het effectieve oppervlak geëxtraheerd door de spray, maar resoluties laag als 40 urn gemeld. 23-25 ​​Deze resolutie en het gemak van analyse met DESI-MSI geschikt voor een snelle en eenvoudige analyse van biologisch weefsel monsters met oppervlakte gebieden in de 0,5-5 cm 2 bereik, waardoor het verkrijgen van waardevolle ruimtelijke informatie beter te begrijpen biologische processen 26. Hier, als een voorbeeld van een typische DESI-MSI applicatie, bespreken we de procedurele bijzonderheden van het voeren van een geslaagd experiment met beeldvorming van lipiden in hersenweefsel van ratten. De twee meest kritische stappen in het protocol zijnweefselvoorbereiding 27 en DESI bron ion optimalisatie, zoals hieronder beschreven.

Protocol

1. Tissue Snijden Store flash-bevroren, in gehele weefsel in -80 ° C vriezer tot klaar voor het snijden. Laat het weefselmonster om de temperatuur vooraf te bereiken in de cryomicrotoom te snijden (30 min). Stel het lemmet en monster temperatuur tot -30 ° C. Zodra het weefsel temperatuur bereikt, de behandeling van de specimen met een pincet, gesneden voor-of achterkant van de hersenen afhankelijk van welk deel van de hersenen plaats voldoende montagevlak is (de voorzijde van de…

Representative Results

Figuur 3 toont een representatief spectrum verkregen van een onbehandelde rat hersenpreparaat. In de positieve modus, wordt het massaspectrum gedomineerd door fosfatidylcholinen vanwege hun hoge ionisatie efficiëntie (toegeschreven aan de positief geladen quaternaire ammoniumgroep). De totale ion beeld van het weefsel deel wordt ook getoond in figuur 3, met overvloedige signaal over de gehele sectie hersenen. Belangrijkste lipiden gedetecteerd worden in tabel 1 door mi…

Discussion

De optimalisatie van de geometrie DESI bron kritisch is voor succesvolle MSI experimenten. De meerdere variabelen die bijdragen tot de aanpassing van het systeem rechtstreeks van invloed op de gevoeligheid en beeldresolutie. Indien tijdens optimalisatie, de experimentator heeft moeilijkheden met het verkrijgen van het signaal, raden we u aan rode Sharpie plek getrokken op de dia als benchmark, de kleurstof, rhodamine 6G, m / z 443, geeft een sterk signaal in de positieve ion-modus en kan gebruikt worden voor eerste opti…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk wordt ondersteund door ARRA NSF MRI Instrument Development subsidie ​​# 0923179 te FMF. Wij danken Aqua Asberry, Lab Coördinator voor de Parker H. Petit Instituut voor Biotechniek en Biosciences Histologie Core, voor hulp met weefsel snijden.

Materials

Reagents
Tissue-Tek O.C.T. Compound Sakura-Finetek 4583 http://www.sakuraeu.com/products/showitem.asp?cat=11&subcat=48
Acetonitrile EMD AX0156-6 OmniSolv, LC-MS Grade
Acetic Acid Sigma Aldrich 695092-500 ml
Equipment
Cryostat microtome Thermo Scientific CryoStar* NX70 Any available microtome can be used for tissue sectioning http://www.thermoscientific.com/ecomm/servlet/productsdetail?productId=13958375&groupType=PRODUCT&searchType=0&storeId=11152&from=search&ca=cryostar
Omni Spray;DESI Spray Head Prosolia Inc. Can also use the 2-D Omni Spray; Source kit instead of assembling components of imaging experiment http://www.prosolia.com/sources.php
High Voltage Power Supply Stanford Research Systems, Inc. PS350/5000V-25W http://www.thinksrs.com/products/PS300.htm
Rope heater, RTD, controller Omega http://www.omega.com/toc_asp/subsectionSC.asp?subsection=M02&book=Heaters
Labview National Instruments Version 7.1
Translational stage Prior Scientific Optiscan II http://www.prior.com/productinfo_auto_motorized_optiscan.html
AccuTOF Mass Spectrometer JEOL JMS-T100LC Can use any mass spectrometer equipped with an extended capillary atmospheric pressure interface
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  1. Caprioli, R. M., Farmer, T. B., Gile, J. Molecular Imaging of Biological Samples: Localization of Peptides and Proteins Using MALDI-TOF MS. Anal. Chem. 69, 4751-4760 (1997).
  2. Pacholski, M. L., Winograd, N. Imaging with Mass Spectrometry. Chem. Rev. 99, 2977-3006 (1999).
  3. Wiseman, J. M., Ifa, D. R., Song, Q., Cooks, R. G. Tissue Imaging at Atmospheric Pressure Using Desorption Electrospray Ionization (DESI) Mass Spectrometry. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 7188-7192 (2006).
  4. Nemes, P., Laser Vertes, A. Laser Ablation Electrospray Ionization for Atmospheric Pressure, in Vivo, and Imaging Mass Spectrometry. Anal. Chem. 79, 8098-8106 (2007).
  5. Nemes, P., Vertes, A. Atmospheric-pressure Molecular Imaging of Biological Tissues and Biofilms by LAESI Mass Spectrometry. J. Vis. Exp. (43), e2097 (2010).
  6. Van Berkel, G. J., Kertesz, V., Koeplinger, K. A., Vavrek, M., Kong, A. -. N. T. Liquid microjunction surface sampling probe electrospray mass spectrometry for detection of drugs and metabolites in thin tissue sections. J. Mass Spectrom. 43, 500-508 (2008).
  7. Takáts, Z., Wiseman, J. M., Gologan, B., Cooks, R. G. Mass Spectrometry Sampling Under Ambient Conditions with Desorption Electrospray Ionization. Science. 306, 471-473 (2004).
  8. Venter, A., Sojka, P. E., Cooks, R. G. Droplet Dynamics and Ionization Mechanisms in Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry. Anal. Chem. 78, 8549-8555 (2006).
  9. Costa, A. B., Cooks, R. G. Simulation of atmospheric transport and droplet-thin film collisions in desorption electrospray ionization. Chem. Commun. , 3915-3917 (2007).
  10. Costa, A. B., Graham Cooks, R. Simulated splashes: Elucidating the mechanism of desorption electrospray ionization mass spectrometry. Chem. Phys. Lett. 464, 1-8 (2008).
  11. Konermann, L., Ahadi, E., Rodriguez, A. D., Vahidi, S. Unraveling the Mechanism of Electrospray Ionization. Anal. Chem. 85, 2-9 (2012).
  12. Kebarle, P., Verkerk, U. H. Electrospray: From ions in solution to ions in the gas phase, what we know now. Mass Spectrom. Rev. 28, 898-917 (2009).
  13. Green, F. M., Salter, T. L., Gilmore, I. S., Stokes, P., O’Connor, G. The effect of electrospray solvent composition on desorption electrospray ionisation (DESI) efficiency and spatial resolution. Analyst. 135, 731-737 (2010).
  14. Van Berkel, G. J., Kertesz, V. Automated Sampling and Imaging of Analytes Separated on Thin-Layer Chromatography Plates Using Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry. Anal. Chem. 78, 4938-4944 (2006).
  15. Ifa, D. R., Wu, C., Ouyang, Z., Cooks, R. G. Desorption electrospray ionization and other ambient ionization methods: current progress and preview. Analyst. 135, 669-681 (2010).
  16. Eberlin, L. S., Ferreira, C. R., Dill, A. L., Ifa, D. R., Cooks, R. G. Desorption electrospray ionization mass spectrometry for lipid characterization and biological tissue imaging. Biochim. Biophys. Acta. 1811, 946-960 (2011).
  17. Wu, C., Ifa, D. R., Manicke, N. E., Cooks, R. G. Molecular imaging of adrenal gland by desorption electrospray ionization mass spectrometry. Analyst. 135, 28-32 (2010).
  18. Wiseman, J. M., et al. Desorption electrospray ionization mass spectrometry: Imaging drugs and metabolites in tissues. Proc. Natl. Acad. Sci. 105, 18120-18125 (2008).
  19. Eberlin, L. S., et al. Classifying Human Brain Tumors by Lipid Imaging with Mass Spectrometry. Cancer Res. 72, 645-654 (2012).
  20. Wiseman, J. M., Ifa, D. R., Venter, A., Cooks, R. G. Ambient molecular imaging by desorption electrospray ionization mass spectrometry. Nat. Protocols. 3, 517-524 (2008).
  21. Van Berkel, G. J., Ford, M. J., Deibel, M. A. Thin-Layer Chromatography and Mass Spectrometry Coupled Using Desorption Electrospray Ionization. Anal. Chem. 77, 1207-1215 (2005).
  22. Lane, A. L., et al. Desorption electrospray ionization mass spectrometry reveals surface-mediated antifungal chemical defense of a tropical seaweed. Proc. Natl. Acad. Sci. 106, 7314-7319 (2009).
  23. Kertesz, V., Van Berkel, G. J. Scanning and Surface Alignment Considerations in Chemical Imaging with Desorption Electrospray Mass Spectrometry. Anal. Chem. 80, 1027-1032 (2008).
  24. Kertesz, V., Van Berkel, G. J. Improved imaging resolution in desorption electrospray ionization mass spectrometry. Rapid Commun. Mass Spectrom. 22, 2639-2644 (2008).
  25. Campbell, D., Ferreira, C., Eberlin, L., Cooks, R. Improved spatial resolution in the imaging of biological tissue using desorption electrospray ionization. Anal. Bioanal. Chem. 404, 389-398 (2012).
  26. Chaurand, P., Cornett, D. S., Angel, P. M., Caprioli, R. M. From Whole-body Sections Down to Cellular Level, Multiscale Imaging of Phospholipids by MALDI Mass Spectrometry. Mol. Cell. Proteomics. 10, (2011).
  27. Dill, A., Eberlin, L., Costa, A., Ifa, D., Cooks, R. Data quality in tissue analysis using desorption electrospray ionization. Anal. Bioanal. Chem. 401, 1949-1961 (2011).
  28. Jackson, S. N., Wang, H. -. Y. J., Woods, A. S. Direct Profiling of Lipid Distribution in Brain Tissue Using MALDI-TOFMS. Anal. Chem. 77, 4523-4527 (2005).
  29. Jackson, S. N., et al. MALDI-ion mobility-TOFMS imaging of lipids in rat brain tissue. J. Mass Spectrom. 42, 1093-1098 (2007).
  30. Wang, H. -. Y. J., Post, S. N. J. J., Woods, A. S. A minimalist approach to MALDI imaging of glycerophospholipids and sphingolipids in rat brain sections. Int. J. Mass Spectrom. 278, 143-149 (2008).
  31. Wu, B., Becker, J. S. Imaging of elements and molecules in biological tissues and cells in the low-micrometer and nanometer range. Int. J. Mass Spectrom. 307, 112-122 (2011).
  32. Eberlin, L. S., Ifa, D. R., Wu, C., Cooks, R. G. Three-Dimensional Vizualization of Mouse Brain by Lipid Analysis Using Ambient Ionization Mass Spectrometry. Angew. Chem. Int. Ed. 49, 873-876 (2010).
  33. Seeley, E. H., Caprioli, R. M. 3D Imaging by Mass Spectrometry: A New Frontier. Anal. Chem. 84, 2105-2110 (2012).
  34. Nemes, P., Barton, A. A., Vertes, A. Three-Dimensional Imaging of Metabolites in Tissues under Ambient Conditions by Laser Ablation Electrospray Ionization Mass Spectrometry. Anal. Chem. 81, 6668-6675 (2009).
  35. Pulfer, M., Murphy, R. C. Electrospray mass spectrometry of phospholipids. Mass Spectrom. Rev. 22, 332-364 (2003).
  36. Han, X., Holtzman, D. M., McKeel, D. W. Plasmalogen deficiency in early Alzheimer’s disease subjects and in animal models: molecular characterization using electrospray ionization mass spectrometry. J. Neurochem. 77, 1168-1180 (2001).
  37. Murphy, E. J., Schapiro, M. B., Rapoport, S. I., Shetty, H. U. Phospholipid composition and levels are altered in down syndrome brain. Brain Res. 867, 9-18 (2000).
  38. Han, X., et al. Alterations in Myocardial Cardiolipin Content and Composition Occur at the Very Earliest Stages of Diabetes: A Shotgun Lipidomics Study. Biochimica. 46, 6417-6428 (2007).

Tags

Mass Spectrometry ImagingDESIDesorption Electrospray IonizationAmbient IonizationRat BrainSample PreparationSpatial ResolutionMolecular Information
check_url/it/50575?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
Bennett, R. V., Gamage, C. M., Fernández, F. M. Imaging of Biological Tissues by Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry. J. Vis. Exp. (77), e50575, doi:10.3791/50575 (2013).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image